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Titel:High-Power Operation of Semiconductor Disk Lasers
Autor:Al Nakdali, Dalia
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2015
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2015/0479
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2015-04794
DOI: https://doi.org/10.17192/z2015.0479
DDC: Physik
Titel(trans.):Hochleistungsbetrieb von Halbleiterscheibenlasern

Dokument

Schlagwörter:
semiconductor disk lasers, VECSEL, semiconductor laser, Halbleiterscheibenlaser, Halbleiterlaser, Optisch gepumpter Halbleiterlaser, quantum well, VECSEL-Laser, Halbleiterlaser

Summary:
The development of semiconductor disk lasers (SDLs), which are also known as vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs), gives rise to semiconductor lasers with high multi-watt output power combined with diffraction-limited output beam-profile. Owing to a steady progress in the field of SDLs, they feature many advantages over conventional semiconductor (diode) lasers. For instance, high output powers can be achieved with a TEM00 beam profile, no p-n junctions are needed in an SDL device which reduces losses due to free-carrier absorption in doped regions, broad wavelength tuning (> 100 nm) is possible due to a broad gain bandwidth in semiconductors, and external-cavity configurations allow for different operation schemes, i. e., intra-cavity frequency conversion, wavelength-tunable single-frequency operation and mode-locking. This versatility is particularly beneficial with respect to applications. Up to now, mainly quantum-well (QW) based SDLs were used due to their strong yield. However, quantum-dots (QDs) based SDLs become increasingly popular, because they offer a number of advantages hardly achievable when using QWs, such as a reduced lasing threshold, a lower thermal sensitivity, and a higher differential gain. In addition, QDs are also applicable for a coverage of different spectral regions such as in the range of 1 to 1.3 µm, they can provide enhanced wavelength tunability and ultrafast carrier dynamics, which potentially will improve mode-locked operation with respect to shorter puls durations. The work presented in this thesis was focussed on the development and testing of high-power semiconductor disk lasers based on novel quantum-dot structures, and the analysis of optical-scattering losses in SDLs in general. The QDs in the SDL chip structure were formed by molecular-beam-epitaxy growth of InGaAs/GaAs semiconductor materials using the Stranski-Krastanov growth method, and supplied by our cooperation partners for investigations on the performance optimization. The employment of QD materials allowed for the realization of SDLs in the infrared spectral region between 1 and 1.3 µm. Devices with emission wavelengths of 1040 and 1180 nm were subject of this work and QD-based SDLs were tested with respect to high-power operation in a linear cavity configuration. The experiments were performed in order to achieve a maximum output power in the continuous-wave (CW) regime for the existing chips. Therefore, the cavity parameters, i. e., the cavity length, the pump-spot width, and the transmittance of the output-coupler (OC) mirror, were systematically varied in order to reach the best performance of the studied device. As a consequence of the optimization of the operation conditions, record-high CW output powers up to 8.4 and 7.2 W are obtained at temperatures around 2 °C for SDLs emitting at 1040 and 1180 nm, respectively. Besides, by rotating an additionally inserted birefringent filter inside the laser cavity, the laser became wavelength tunable over a relatively large range of 45 and 37 nm for SDLs emitting at 1040 and 1180 nm, respectively. Although the results presented in this thesis may have certainly contributed to the development of QD SDLs, more effort is needed to fully explore the advantages of QD based materials. This will include wider research concerning the thermal sensitivity and operational stability of QD based lasers. That would allow for a more accurate design of the devices, which lead to a more efficient operation. To highlight the influence of optical-scattering losses on the SDL's performance, the thermal resistance of a reference low-surface-quality SDLs chip was analyzed. From experimental input-output characteristics based on thermal roll-over for different output-coupler transmittance values, the optical surface-scattering losses were identified when using an expanded model that takes into account non-heating losses in a device. In this study, we've learned that optical surface-scattering is a non-negligible component of loss in an SDL system, thus further contributing to an understanding of limitations to high-power operation. In conclusion, the best-quality chips -not only with respect to the structural quality inside the chip, but also to the surface quality- are required for the purpose of high-power operation.

Zusammenfassung:
Die Entwicklung von Halbleiterscheibenlasern (im Englischen SDL), welche auch als vertikalemittierende Scheibenlaser mit externer Kavität (engl. VECSEL) bekannt sind, ermöglichte den Aufstieg von Halbleiterlasern in eine zuvor nicht erreichbare Leistungsklasse bei gleichzeitig hoher beugungsbegrenzter Strahlqualität. Durch den steten Fortschritt im Bereich der SDLs können diese gegenüber herkömmlichen Halbleiterlasern wesentliche Vorteile aufweisen. Darunter fällt die Erzeugung starker Ausgangsleistung bei Erhalt der TEM00 Abstrahlcharakteristik, was bei stark gepumpten Diodenlasern kaum vorstellbar ist. Auch der Verzicht auf einen p-n-Übergang im SDL-Chip macht sich positiv bemerkbar, indem weniger Verluste durch die Absorption freier Ladungsträger in dotierten Bereichen stattfinden. Darüber hinaus ist durch eine große Gewinnbandbreite in Halbleitersystemen eine breite Wellenlängenverstimmung (> 100 nm) möglich. Schließlich erlaubt die Konfiguration mit externer Kavität die Umsetzung diverser Betriebsarten, unter anderem eine intrakavitäre Frequenzkonversion, einen wellenlängenverstimmbaren Einzelfrequenzbetrieb und Modenkopplung. Diese Vielseitigkeit ist insbesondere für Anwendungen vorteilhaft. Bisher wurden vor allem Quantenfilm (engl. QW) basierte SDLs aufgrund ihrer hohen Ausbeute entwickelt. Jedoch werden Quantenpunkt (engl. QD) basierte SDLs zunehmend beliebter, da sie eine Anzahl an Vorteilen bieten, die mit QW Strukturen schwer erzielbar ist, wie eine reduzierte Laserschwelle, eine niedrige thermische Empfindlichkeit, und eine höhere differenzielle Verstärkung. Darüber hinaus eignen sich InGaAs-basierte QD SDLs auch in Hinblick auf eine große Abdeckung verschiedener Wellenlängenbereiche im Bereich 1-1,3 µm, auf eine hohe Wellenlängenverstimmbarkeit und sehr schnelle Ladungsträgerdynamiken, welche potenziell eine Verbesserung des Modenkopplungsbetriebs ermöglicht. Die in dieser Thesis vorgestellten Forschungsarbeiten behandelten primär die Entwicklung und Demonstration von leistungsstarken SDLs basierend auf QD-Strukturen. Die QDs im Halbleiterchip wurden mittels Molekularstrahlepitaxie des InGaAs/GaAs Materialsystems im Stranski-Krastanov Modus gewachsen und wurden von unseren Kooperationspartnern zur Untersuchung der Leistungsoptimierung zur Verfügung gestellt. Der Einsatz eines InGaAs QD Verstärkungsmedium ermöglichte dabei die Entwicklung von SDLs im infraroten Spektralbereich zwischen 1 bis 1,3 µm. In dieser Arbeit wurden daher zwei SDLs mit Emissionswellenlängen von 1040 und 1080~nm untersucht. Für die Leistungsoptimierung wurden die Experimente mit einer linearen Kavitätskonfiguration durchgeführt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente wurden durchgeführt, um eine maximale Dauerstrich-Ausgangsleistung aus einem einzelnen, jeweils vorhandenen QD-Chip zu erzielen. Hierzu wurden systematisch Kavitätsparameter wie die Kavitätslänge, die Anregungsfleckgröße und die Transmittivität des Auskoppelspiegels variiert, um die beste mögliche Leistung des untersuchten Systems zu erzielen. In Folge der Optimierung der Betriebsbedingungen wurden schließlich rekordhohe Dauerstrich-Ausgangsleistungen von bis zu 8,4 bzw. 7,2 W bei Temperaturen um 2 °C für die SDLs bei 1040 bzw. 1180 nm demonstriert. Darüber hinaus zeigten die SDLs unter Einsatz eines in die Kavität eingefügten doppelbrechenden Filters eine Verstimmbarkeit der Laseremission über einen relativ großen Bereich von 45 bzw. 37 nm für die SDLs bei 1040 und 1180 nm. Obwohl die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse bereits einen Beitrag zur Entwicklung von QD SDLn geleistet haben mögen, sei angemerkt, dass weitere Bemühungen nötig sind, um die Vorteile von QD SDLs weitläufig zu erforschen. Diese werden zum Beispiel weitere Untersuchungen hinsichtlich thermische Sensibilität und Betriebsstabilität der QD basierten Laser beinhalten. Folglich werden daraus neue Erkenntnisse über bessere Chipdesigns für einen leistungsstärkeren Betrieb erzielt. Abschließend wurde in dieser Arbeit die Rolle von optischen Streuverlusten in SDLn bei ihrer Leistungsfähigkeit anhand Untersuchungen des thermischen Widerstands eines SDL Chips mit niedriger Oberflächenqualität hervorgehoben. Hierzu wurde aus der experimentellen Eingangs-Ausgangs-Leistungscharakteristik des SDLs basierend auf dem thermischen Überrolleffekt für verschiedene Auskoppeltransmittivitäten im Vergleich mit einem erweiterten Modell für den thermischen Widerstand ein Verlustanteil im Resonatorsystem aufgrund von optischen Oberflächenstreuverlusten bestimmt. Das Modell vernachlässigt dabei nicht den Anteil von nicht wärmebezogener Verluste im SDL. Dadurch ermöglicht diese Studie ein besseres Verständnis der Leistungsbegrenzungen von SDLn, die für den Betrieb bei hoher Ausgangsleistung bestimmt sind. Zusammenfassend lässt sich somit sagen, dass für eine hohe Emissionsleistung des Lasers nicht nur ein Chip mit optimierter Halbleiterstruktur, sondern auch mit möglichst guter Strukturoberfläche und -Beschaffenheit erforderlich ist, da optische Verluste durch Streuung im System nicht vernachlässigbar sind.


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